超越硅技术藩篱 打造新一代芯片──碳纳米管晶体管技术浮出水面 hardware 2001年 19期 日前，IBM的研究人员开发出了一项突破性的晶体管技术，利用该技术制造的芯片将比现在的硅芯片体积更小、速度更快。与此同时，他们已经制造出世界上第一个碳纳米管晶体管（Carbon Nanotube Transistor）阵列。该阵列所使用的碳纳米管是由碳原子排列而成的微小圆柱体，是现在的硅晶体管的1/500，而且无须对它们逐个进行处理，即不用从大量的纳米管中去费力地寻找有用的电子属性个体。 　　作为该项目的主要研究人员之一，IBM纳米级科学研究部经理Phaedon Avouris说：“我们一直致力于制造分子级的电子器件，这项新技术使我们向前迈出了一大步。我们的研究表明，碳纳米管在性能上可以和硅管一争高低，碳纳米管可以让晶体管被制造得更小。对未来的纳米电子技术而言，碳纳米管将是很有前途的。” 　　据业内人士分析，在未来10到20年间，芯片制造商们将面临这样一个问题，即硅芯片上的集成度已至极限，因而必须寻找制造计算机芯片的新材料。IBM的这项突破性技术在此领域迈出了重要一步。 　　#1碳纳米管晶体管的特点 　　根据大小、形状的不同，碳纳米管的电子属性可以分为金属特性和半导体特性两种。在将碳纳米管用作晶体管的过程中，科学家们遇到的难题是人工制造的碳纳米管是金属特性和半导体特性的混合体。这两种属性的碳纳米管相互“粘连”成绳索状或束状。这样就使碳纳米管的用途大打折扣，因为只有半导体特性的纳米管才有晶体管性能。而且，当两种属性的碳纳米管“粘连”在一起时，它的金属特性比半导体特性还要强。 　　逐个处理碳纳米管的工作是缓慢而且繁琐的，但又没有更实际的方法将金属特性和半导体特性碳纳米管相互分离，这便成了把碳纳米管用作晶体管的一大障碍。IBM的技术人员使用了一种可以称之为“建设性破坏”的新技术成功解决了这一难题，它使科学家能够只生产出制造计算机芯片所需的半导体特性碳纳米管。 　　#1“建设性破坏”技术 　　“建设性破坏”的基本原理是：为了建立密集的半导体特性纳米管，就必须将金属特性纳米管破坏掉。使用电子冲击波就可以破坏掉金属特性纳米管，而将制造晶体管所需的半导体特性纳米管保留下来。因此，科学家们首先将“粘连”成绳索状的金属性和半导体性纳米管放在一个硅氧化物晶片上。然后将一个平板蒙片放在纳米管上，从而在纳米管上形成电极（金属垫），这些电极可以作为开关来控制半导体性纳米管。同时，科学家们使用硅晶片作为一个电极将半导体性纳米管关闭，以完全阻止电流在其中通过，这样金属性纳米管就处于无保护状态。这时如果在晶片上接通合适的电压，就可以破坏掉金属性纳米管，而半导体性纳米管因处于绝缘状态所以不会受到影响。如此一来，排列紧凑、完好无损的半导体性纳米管晶体管就形成了，这种晶体管完全可用于制造计算机芯片上逻辑电路。 　　#1与碳纳米管技术相关的其他成果 　　在公布碳纳米管晶体管技术的同时，IBM的科学家们还展示了如何使用电子破坏法来逐个消除多壁式纳米管的碳原子电子壳层。科学家们可以用此方法得到具有优良电子属性的碳纳米管。报告中还展示了科学家们是怎样利用碳纳米管来制造可变带隙的场效应晶体管。 　　在类似的碳纳米管研究中，IBM的研究人员一直在努力改进单个纳米管晶体管的电子特性。尚未发布的研究数据表明，如果碳纳米管的大小增加到和现在的硅晶体管一样，那么它们的性能将是一样的。这表明，碳纳米管晶体管能够按照摩尔定律继续做得更小，而硅晶体管的大小已达到极限。 　　按照著名的摩尔定律，计算机芯片的晶体管数量每隔18个月就要翻一番。许多科学家预期，在未来的10到20年内，硅晶体管将达到其物理极限，难以在芯片上继续增加晶体管数量。晶体管是重要的电子元件，它在计算机芯片里起着桥的作用，数据通过它从一处传送到另一处。芯片上的晶体管数越多，其处理速度也就越快。因此，IBM科学家们的这项技术对未来的芯片性能有着深远的影响。 　　编后：有关碳纳米管晶体管技术的详细报告已发表在2001年4月21日出版的《科学》第292卷第5517期。该报告的题目为《用电子破坏法设计碳纳米管和纳米管电路》，作者为Phaedon Avouris、Philip G.Collins和Michael S.Arnold。Phaedon Avouris在位于纽约州约克镇Heights的IBM T.J. Watson研究实验室工作。Philip G.Collins原来在IBM，现在任职于加里福尼亚州Emeryville市的Covalent Materials。Michael S.Arnold是来自伊利诺斯州立大学的实习生。